CN109346841B - 雷达罩制作材料鉴定方法、雷达罩以及雷达罩的制作方法 - Google Patents

雷达罩制作材料鉴定方法、雷达罩以及雷达罩的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及雷达罩制作材料鉴定方法、雷达罩以及雷达罩的制作方法，该鉴定方法包括：选取若干组材料；通过谐振微扰法测量选取材料的电性能参数；设计雷达罩外形尺寸；制作雷达罩样品并测试，得到最佳材料为含聚硅氧烷的PC材料。该雷达罩的制作方法包括：建立理论算法模型；计算电磁波从天线面发射到辐射进空气的过程中的传输损耗；设计雷达罩的外壳厚度d2、雷达罩到平面天线的距离d1；结合制作材料的性能参数和雷达罩设计外形尺寸，外壳厚度d2、雷达罩到平面天线的距离d1。本发明能够筛选获得制作雷达罩的最佳材料，设计的雷达罩制作成本低，具有功率损耗低、机械强度高、耐高强度冲击的优点。

Description

雷达罩制作材料鉴定方法、雷达罩以及雷达罩的制作方法
技术领域
本发明涉及汽车雷达电子技术领域，具体的说是雷达罩制作材料鉴定方法、雷达罩以及雷达罩的制作方法。
背景技术
雷达罩是保证天线不受外来物体撞击，腐蚀等外界损害不可缺少的保护层。雷达罩材料等效介电常数ε大于空气介电常数。也就是电磁波传输有一个从光疏到光密再到光疏的折射过程。引起传输损耗和相位变形。这就是雷达罩对雷达性能的损害，造成功率损耗和相位不均匀，继而降低雷达探测距离和角度。
传统雷达由于使用单个收发天线，辐射中心单一，雷达罩的各个点距天线可以轻易设计成等间距，比如平面或者球形，这样通过优化天线罩形状尺寸来优化各个辐射方向的电磁波衰减和保证相位一致性。
毫米波ADAS雷达采用的是平面相控阵雷达技术，雷达表面有多达十几到上百个天线和天线阵，这些天线配对给不同的发射机和接收机阵列，因此没有统一的辐射中心。
目前车载77GHz毫米波雷达大多使用多发射多接收天线的雷达系统。这种多天线系统的相位中心繁多，当电磁波以球面波传播时，无法保证雷达罩每一点对于每一个天线中心都是等距离的，也就很难单纯依靠设计雷达罩尺寸来优化功率衰减，从而影响了雷达整体性能。
发明内容
为了避免和解决上述技术问题，本发明提出了雷达罩制作材料鉴定方法、雷达罩以及雷达罩的制作方法。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
多天线辐射雷达罩的制作材料鉴定方法，包括以下步骤：
步骤S101：选取若干组材料；
步骤S102：通过谐振微扰法测量选取材料的电性能参数；
步骤S103：结合选取材料的电性能参数，设计雷达罩外形尺寸；
步骤S104：制作雷达罩样品并进行测试，对比各组材料制成的雷达罩的效果，得到最佳材料为含聚硅氧烷的PC材料。
进一步的，所述步骤S102中被测的电性能参数包括材料的介电常数、介电损耗正切角。
进一步的，所述步骤S102中通过设计测量谐振腔体进行谐振微扰法测量。
进一步的，测量谐振腔体包括谐振腔、与谐振腔相连的网络分析仪和波导连接器件。
进一步的，所述步骤S103中雷达罩外形尺寸包括：
通过电磁学公式计算得到雷达罩的外壳厚度d2、雷达罩到平面天线的距离d1。
一种多天线辐射雷达罩，包括应用所述鉴定方法得到材料制作而成。
一种多天线辐射雷达罩的制作方法，包括选取所述鉴定方法得到含聚硅氧烷的PC材料为制作材料，还包括：
建立理论算法模型；
得到电磁波从天线面发射到雷达罩内再辐射进空气的整个过程中的传输损耗TLn；
考虑到由于电磁波的能量反射导致的传输功率损耗和相位不一致，以半波长的整数倍设计雷达罩的外壳厚度d2、雷达罩到平面天线的距离d1；
结合制作材料的性能参数、雷达罩设计外形尺寸及容忍的额外损耗误差值来确定出可以接受的加工误差范围。
进一步的，所述理论算法模型的建立包括输入：雷达罩频率、材料的性能参数、希望损耗的误差范围。
进一步的，所述材料的性能参数包括材料的介电常数、介电损耗正切角。
进一步的，所述的传输损耗TLn包括：
电磁波在介质中的透射的传输损耗TL1；
雷达罩材料对电磁波吸收的参数损耗TL2；
雷达罩辐射到空气过程中的传输损耗TL3；
本发明的有益效果是：
1、本发明设计的材料鉴定方法，能够筛选获得制作雷达罩的最佳材料。
2、应用该材料鉴定方法获得材料制作的雷达罩，对电磁波的穿透具有优异的透波性、较低的衰减值。
3、通过本发明设计的雷达罩制作成本低，对于多天线系统具有功率损耗低、机械强度高、耐高强度冲击的优点，该雷达罩的使用温度范围广、阻燃性强、尺寸安定性好，在77GHz毫米波多天线雷达系统具有很高实用性和推广价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的制作材料鉴定方法的流程示意图；
图2为本发明中雷达罩的制作方法的流程示意图；
图3为本发明中测试腔的模型示意图；
图4为本发明中介质棒插入测试腔的模型示意图；
图5为本发明中仿真测试腔为空腔时的幅度频率曲线；
图6为本发明中仿真介质棒的幅度频率曲线；
图7为本发明中理论算法模型的示意简图；
图8为本发明中根据测量材料特性得到的雷达罩性能结果示意图；
图9为传统采用PA66材料测试的雷达罩威力图；
图10为本发明中采用PC材料测试的雷达罩威力图；
图11为传统球面单天线罩；
图12为传统平面多天线罩。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。
如图1至图12所示，多天线辐射雷达罩的制作材料鉴定方法，包括以下步骤：
步骤S101：选取若干组材料；选取材料时，应当考虑和估计对电磁波传输具有低功率损耗、高机械强度、耐高强度冲击、使用温度范围广、阻燃、物理尺寸稳定以及方便加工的特点，同时材料是大路货，价格成本低，容易得到，一般在塑料和化工材料里进行选择。
步骤S102：通过谐振微扰法测量选取材料的电性能参数；
具体的，需设计测量谐振腔体进行谐振微扰法测量，所述的测量谐振腔体包括谐振腔、与谐振腔相连的网络分析仪和波导连接器件；
此外，测量的电性能参数包括材料的介电常数、介电损耗正切角。
在该过程中，按照微扰法测量方法，本测量设备采用的是四分之一波长传输型波导谐振腔来得到Q值；
在进行测试前，首先建立测试模型，该测试原理来自微波电路微扰法，先根据需要的频率段设计测试腔，此处测试腔即为谐振腔，这里将材料制成是一个棒，可以从测试腔的顶部插入，如；
图3为测试腔模型，设置测试腔的测试腔体积Vc；
图4为含介质棒的测试腔模型，设置介质棒的半径、棒长h以及体积Vs；
然后用射频仿真软件预判测试结果；图5和图6则显示测试腔和带介质棒的测试腔幅度频率曲线，其中，图中1、2、3为选取的三个测试点，Freq为频率；
其具体操作过程如下：
步骤S201：
1、首先测试最大功率P1的测试腔频率fc；
2、然后调节频率减小，使功率降低到0.5P1时，测得频率fLc；
3、再增大调节频率最大功率另外一个方向的功率为0.5P1时测得频率fHc；
4、推导出测量得到的测试腔品质因数Qc；
Figure BDA0001816760160000041
步骤S202：将新材料打磨成尺寸合适的圆柱形，将介质棒放入测试腔中，此时含介质的测试腔频率为fs，再次重复步骤S201的操作，测得品质因数Qs：
Figure BDA0001816760160000051
可得出介电常数：
Figure BDA0001816760160000052
其中Vc为测试腔的体积，Vs为介质棒在测试腔中的体积；
及介电损耗正切角：
Figure BDA0001816760160000053
步骤S103：结合选取材料的电性能参数，设计雷达罩外形尺寸；
即根据已测量的选取材料的电性能参数和雷达罩外壳形状，通过电磁学公式计算雷达罩的外壳厚度d2、雷达罩距离平面天线的距离d1。
其中，d1可由雷达设计时的经验公式得到：
d1＝λ/2
式中：λ＝c/f；λ为76GHz电磁波在空间中的自由波长；c为光速，f是电磁波频率。
其次，d2可通过下面公式得到：
d2＝λg/2
式中：
Figure BDA0001816760160000054
λg为76GHz电磁波在雷达罩材料中的波长，εγ为新材料的介电常数。
步骤S104：制作雷达罩样品并进行测试，对比各组材料制成的雷达罩的效果，得到最佳材料为含聚硅氧烷的PC材料。
一种多天线辐射雷达罩，包括应用所述的鉴定方法得到材料制作而成。
一种多天线辐射雷达罩的制作方法，包括选取所述鉴定方法得到含聚硅氧烷的PC材料为制作材料，还包括：
步骤S201：建立理论算法模型；
由于考虑到雷达在汽车上实际安装的方便和机械加工的成本等因素，雷达罩会设计成平面矩形，根据这一需求我们设计雷达罩的理论算法模型如图7所示，表述了电磁波从天线面发射通过空气，然后透过雷达罩再辐射到空气中的过程。
所述理论算法模型的建立包括输入：雷达罩频率、材料的性能参数、希望损耗的误差范围；
所述材料的性能参数包括材料的介电常数εγ、介电损耗正切角α，所述理论算法模型中的左侧为平面天线、右侧为雷达罩。
步骤S202：得到电磁波从天线面发射到雷达罩内再辐射进空气的整个过程中的传输损耗TLn；
所述的传输损耗TLn包括：电磁波在介质中的透射的传输损耗TL1；雷达罩材料对电磁波吸收的参数损耗TL2；雷达罩辐射到空气过程中的传输损耗TL3；
即理论算法模型中的传输损耗TLn＝TL1+TL2+TL3；
其中，该模型中包括以下核心变量：
γ＝-α+jβ
式中，γ是电磁波复传输常数，j是负数符号，α＝tanδ是正切损耗角度，β代表电磁波相位变化程度。
λg＝λ/n
式中，λ是电磁波在空气里的波长，
Figure BDA0001816760160000061
是介质折射系数。
Zd＝Zo/n
式中，Zo＝377是空气里的波阻抗，Zd是介质中的波阻抗，知道Zo和Zd后，就可确定TL1和TL2。
Figure BDA0001816760160000062
式中，VSWR1＝Zo/Zd为波从空气入射到天线罩的反射系数；
Figure BDA0001816760160000063
式中，VSWR2＝Zo/Zin为波从天线罩入射到空其中的反射系数；
Figure BDA0001816760160000064
式中，ldn为雷达罩的外壳厚度；
TL3＝20×log(e-α·ldn)
进而可求得传输损耗TLn。
步骤S203：考虑到由于电磁波的能量反射导致的传输功率损耗和相位不一致，以半波长的整数倍设计雷达罩的外壳厚度d2、雷达罩到平面天线的距离d1；此时d1＝λ/2，d2＝λg/2。
步骤S204：结合制作材料的性能参数、雷达设外形尺寸及容忍的额外损耗误差值来估算出可以接受的加工误差范围。以达到最低的功率损耗和保持相位一致。
从上述的步骤中，我们可以得知传输损耗TLn是与雷达罩的外壳厚度ldn相关，即与d2相关，从而参见图8所示，可建立传输损耗TLn与雷达罩的最佳外壳厚度ldn的关系图，通过关系图和电磁学计算公式，得到雷达罩的外形尺寸，可以看出，在最佳厚度±5mil公差范围内，损耗基本是一致的。
最后，上述过程给出雷达罩设计的基本方法，它的核心是不需要对材料做特殊要求，只要测量出雷达罩材料的两个核心电参数就可以做雷达罩结构设计，实际工作需要对比不同材料雷达罩的威力图。
如图9为采用传统PA66材料制作的测试结果，图10为采用含聚硅氧烷的PC材料制作的测试结果，对比后发现其中PA66威力只能覆盖45米，而PC材料可覆盖达到75米。
综上所述：本发明设计的材料鉴定方法，能够筛选获得制作雷达罩的最佳材料；应用该材料鉴定方法获得材料制作的雷达罩，对电磁波的穿透具有优异的透波性、较低的衰减值；通过本发明设计的雷达罩制作成本低，对于多天线系统具有功率损耗低、机械强度高、耐高强度冲击的优点，该雷达罩的使用温度范围广、阻燃性强、尺寸安定性好，在77GHz毫米波多天线雷达系统具有很高实用性和推广价值。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.多天线辐射雷达罩的制作材料鉴定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S101：选取若干组材料；
步骤S102：通过谐振微扰法测量选取材料的电性能参数；
其具体操作过程如下：
步骤S201：
1、首先测试最大功率P1的测试腔频率fc；
2、然后调节频率减小，使功率降低到0.5P1时，测得频率fLc；
3、再增大调节频率最大功率另外一个方向的功率为0.5P1时测得频率fHc；
4、推导出测量得到的测试腔品质因数Qc；
Figure FDA0002863973740000011
步骤S202：将新材料打磨成尺寸合适的圆柱形，将介质棒放入测试腔中，此时含介质的测试腔频率为fs，再次重复步骤S201的操作，测得品质因数Qs：
Figure FDA0002863973740000012
可得出介电常数：
Figure FDA0002863973740000013
其中Vc为测试腔的体积，Vs为介质棒在测试腔中的体积；
及介电损耗正切角：
Figure FDA0002863973740000014
步骤S103：结合选取材料的电性能参数，设计雷达罩外形尺寸；
步骤S104：制作雷达罩样品并进行测试，对比各组材料制成的雷达罩的效果，得到最佳材料为含聚硅氧烷的PC材料。
2.根据权利要求1所述的多天线辐射雷达罩的制作材料鉴定方法，其特征在于：步骤S102中被测的电性能参数包括材料的介电常数、介电损耗正切角。
3.根据权利要求1所述的多天线辐射雷达罩的制作材料鉴定方法，其特征在于：所述步骤S102中通过设计测量谐振腔体进行谐振微扰法测量。
4.根据权利要求3所述的多天线辐射雷达罩的制作材料鉴定方法，其特征在于：测量谐振腔体包括谐振腔、与谐振腔相连的网络分析仪和波导连接器件。
5.根据权利要求1所述的多天线辐射雷达罩的制作材料鉴定方法，其特征在于：所述步骤S103中雷达罩外形尺寸包括：
通过电磁学公式计算得到雷达罩的外壳厚度d2、雷达罩到平面天线的距离d1。
6.一种多天线辐射雷达罩，应用所述权利要求1的鉴定方法得到材料制作而成。
7.一种多天线辐射雷达罩的制作方法，选取所述权利要求1的鉴定方法得到含聚硅氧烷的PC材料为制作材料，还包括：
建立理论算法模型；
得到电磁波从天线面发射到雷达罩内再辐射进空气的整个过程中的传输损耗TLn；
考虑到由于电磁波的能量反射导致的传输功率损耗和相位不一致，以半波长的整数倍设计雷达罩的外壳厚度d2、雷达罩到平面天线的距离d1；
结合制作材料的性能参数、雷达罩设计外形尺寸及容忍的额外损耗误差值来确定出可以接受的加工误差范围。
8.根据权利要求7所述的一种多天线辐射雷达罩的制作方法，其特征在于：所述理论算法模型的建立包括输入：雷达罩频率、材料的性能参数、希望损耗的误差范围。
9.根据权利要求8所述的一种多天线辐射雷达罩的制作方法，其特征在于：所述材料的性能参数包括材料的介电常数、介电损耗正切角。
10.根据权利要求7所述的一种多天线辐射雷达罩的制作方法，其特征在于：所述的传输损耗TLn包括：
电磁波在介质中的透射的传输损耗TL1；
雷达罩材料对电磁波吸收的参数损耗TL2；
天线罩辐射到空气过程中的传输损耗TL3。
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